趙迪

目前，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的工程師們正在努力定義一個(gè)較低音爆的新標(biāo)準(zhǔn)，波音公司和洛克希德·馬丁公司也最新公布了他們超聲速飛機(jī)的概念圖——有趣的是，由洛馬公司設(shè)計(jì)的超聲速飛機(jī)，水綠嫩白的機(jī)身和削尖的整體造型，一公布就被廣大網(wǎng)友昵稱(chēng)為“蔥上云霄”。在2014美國(guó)航空航天學(xué)院年展上，亦出現(xiàn)了一款新型超聲速客機(jī)。該機(jī)能夠有效降低超聲速飛行所產(chǎn)生的音爆。NASA等機(jī)構(gòu)現(xiàn)正在鋪就一條超聲速旅行的回歸之路。

難舍“超聲速”

直到現(xiàn)在，超聲速旅行都還是個(gè)令人熱血沸騰的詞匯。其實(shí)早在上世紀(jì)60年代，它就已經(jīng)落實(shí)于研究中。曾幾何時(shí)，乘坐協(xié)和式飛機(jī)進(jìn)行一次跨越大西洋的超聲速之旅，是西方名流們彰顯身份的熱門(mén)方式之一。然而，盡管在運(yùn)輸效率上開(kāi)創(chuàng)了新的紀(jì)元，安全性方面也總體表現(xiàn)良好，但協(xié)和式飛機(jī)始終沒(méi)有擺脫高成本、設(shè)計(jì)缺陷等諸多問(wèn)題的困擾。最終，在一次機(jī)毀人亡的意外事故之后，“協(xié)和”飛機(jī)于2003年退出了民用航空的舞臺(tái)。

“協(xié)和”式客機(jī)的隱退，并沒(méi)有終結(jié)人們對(duì)于超聲速民用航空的懷念與追逐。近年來(lái)更是不斷有公司展示各自原創(chuàng)的未來(lái)超聲速飛機(jī)。不過(guò)在將構(gòu)想轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)之前，他們都必須解決一個(gè)協(xié)和式飛機(jī)當(dāng)年就曾面臨的問(wèn)題——音爆。

音爆降低讓超聲速客機(jī)回歸

當(dāng)物體接近聲速時(shí)，會(huì)有一股強(qiáng)大的阻力，使物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的振蕩，速度衰減，這一階段被稱(chēng)為音障。當(dāng)突破音障時(shí)，由于物體本身對(duì)空氣的壓縮無(wú)法迅速傳播，逐漸在物體的迎風(fēng)面積累而終形成激波面，其上集中了高度的聲學(xué)能量。此時(shí)，人們會(huì)感受到短暫而極其強(qiáng)烈的爆炸聲，稱(chēng)為音爆。

音爆釋放的能量巨大。當(dāng)飛機(jī)作低空超聲速飛行時(shí)，不但地面的人畜能聽(tīng)到震耳欲聾的巨響，影響人們的生活和工作，嚴(yán)重的還可以震碎玻璃，甚至損壞不堅(jiān)固的建筑物，造成直接損失。因此NASA禁止在陸地上空超聲速飛行，其他國(guó)家管制陸地線(xiàn)路的航空機(jī)構(gòu)也是如此。

從這個(gè)角度而言，降低音爆是超聲速飛行器回歸的重要前提之一。目前，業(yè)界使用“感知分貝水平”（PLdB）來(lái)測(cè)量音爆的大小。以協(xié)和式飛機(jī)為例，它的水平達(dá)到了105，足以震顫地面居民的窗玻璃。研究人員普遍認(rèn)為，75是陸地上空超聲速飛行的可接受值。

但NASA有志于將其水平降到70甚至更低——這并非易事，因?yàn)橐舯c飛行器重量成正比關(guān)系。小型飛機(jī)或許可以輕松實(shí)現(xiàn)，但大型載人客機(jī)則要困難得多。波音和洛克希德·馬丁公司的設(shè)計(jì)在風(fēng)洞試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)是79，已經(jīng)被認(rèn)為是相當(dāng)出色的表現(xiàn)，但NASA依然堅(jiān)持“70-”的高標(biāo)準(zhǔn)，并且不斷加快技術(shù)攻關(guān)的進(jìn)程。因?yàn)樵贜ASA以及許多工程技術(shù)專(zhuān)家看來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的積累，當(dāng)前超聲速研究領(lǐng)域的發(fā)展水平，已經(jīng)足以支持實(shí)用性低音爆飛行器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

此前，NASA已經(jīng)在加州的阿姆斯特朗飛行研究中心試飛了小型樣機(jī)，以此收集和聽(tīng)取參與實(shí)驗(yàn)的公眾對(duì)噪聲水平的意見(jiàn)。此外，NASA還不斷改良機(jī)體的外形設(shè)計(jì)，包括更加細(xì)長(zhǎng)的機(jī)首、更加平滑的機(jī)身以及有利降低音爆的三角翼等等。NASA表示，“更安靜的超聲速飛機(jī)”將逐步解除不允許在陸地上空進(jìn)行超聲速飛行的行業(yè)禁令。

不僅NASA一家，波音公司、洛克希德·馬丁公司、Aerion、斯派克宇航等企業(yè)當(dāng)前也在推進(jìn)研究的步伐。維珍銀河航空的老板理查德·布蘭森更是宣稱(chēng)，即將造出時(shí)速一萬(wàn)九千英里的產(chǎn)品。行業(yè)分析普遍認(rèn)為，新型超聲速民用客機(jī)，有望在未來(lái)的15年內(nèi)投入使用。

異曲同工的雙翼超聲速客機(jī)

在美國(guó)，除了擁有強(qiáng)大實(shí)力的制造企業(yè)之外，美國(guó)一些大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)也在尋求未來(lái)超聲速客機(jī)的解決之道。2012年的時(shí)候， 美國(guó)麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的一個(gè)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)提出了一種雙機(jī)翼設(shè)計(jì)方案，并聲稱(chēng)該方案可以解決“協(xié)和”式超聲速?lài)姎饪蜋C(jī)存在的很多問(wèn)題。該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬證明，在以超聲速航行時(shí)，經(jīng)過(guò)改裝后的雙翼產(chǎn)生的阻力比傳統(tǒng)的單翼飛機(jī)要小得多。不過(guò)，與上述洛馬公司、波音公司的方案異曲同工的地方在于，這種雙翼設(shè)計(jì)的最初目標(biāo)也是為了使飛機(jī)產(chǎn)生的音波爆更小。

在這種雙翼設(shè)計(jì)方案中，客機(jī)的每一側(cè)都有兩個(gè)機(jī)翼，一個(gè)機(jī)翼置于另一個(gè)機(jī)翼的上方，這種設(shè)計(jì)可以消減每個(gè)機(jī)翼各自產(chǎn)生的沖擊波。一般而言，當(dāng)傳統(tǒng)飛機(jī)接近聲速時(shí)，飛機(jī)前后的空氣就開(kāi)始?jí)嚎s。隨著飛機(jī)的航行速度達(dá)到并且超過(guò)聲速，空氣壓力的突然增加會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)大的沖擊波，這兩個(gè)沖擊波會(huì)向外輻射到飛機(jī)末尾兩端，產(chǎn)生超音波爆聲。而該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)的研究人員通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，雙翼設(shè)計(jì)能消除沖擊波。

不過(guò)，研究人員在計(jì)算和測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)，這種雙翼設(shè)計(jì)的兩個(gè)機(jī)翼間會(huì)制造出一個(gè)非常狹窄的通道，只能容納很少量的空氣通過(guò)其中，當(dāng)飛機(jī)以超聲速時(shí)，這一通道會(huì)被堵塞，從而產(chǎn)生巨大的阻力。這一問(wèn)題如果不解決，該方案根本不能實(shí)現(xiàn)超聲速飛行。為了解決阻力問(wèn)題，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬雙翼飛機(jī)以不同的速度飛行時(shí)的情況。在給定的速度下，這種模型能確定最優(yōu)的機(jī)翼形狀以讓阻力最小。研究人員先后將幾十個(gè)不同的速度、700種機(jī)翼設(shè)計(jì)產(chǎn)生的結(jié)果匯總，為每個(gè)機(jī)翼設(shè)計(jì)出了最優(yōu)的形狀。根據(jù)測(cè)試結(jié)果研究人員發(fā)現(xiàn)，把上下兩個(gè)機(jī)翼的內(nèi)表面設(shè)計(jì)的更為平整就會(huì)制造出一條更寬的通道，空氣能夠流經(jīng)其中。而且，通過(guò)讓上方機(jī)翼的上邊緣、下方機(jī)翼的底邊緣凸出，可以使這種雙翼飛機(jī)能以超聲速飛行，其產(chǎn)生的阻力僅為傳統(tǒng)超聲速?lài)姎饪蜋C(jī)的一半。

激進(jìn)的歐洲人

與美國(guó)相比，歐洲人在超聲速客機(jī)研制方面顯得更為激進(jìn)，畢竟世界上第一種投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的超聲速客機(jī)就出自歐洲。3年前，已經(jīng)更為名空客集團(tuán)的EADS對(duì)外公布了一款名為ZEHST的超聲速客機(jī)方案，該方案在外形上“協(xié)和”式超聲速客機(jī)非常相似，其細(xì)長(zhǎng)機(jī)身、大三角翼、無(wú)平尾的氣動(dòng)布局，具有翼身融合特征，這樣即可以減小機(jī)身的氣動(dòng)阻力，同時(shí)大三角翼在飛行時(shí)能夠產(chǎn)生非常高的氣動(dòng)效率，使飛機(jī)更適合超聲速飛行。此外，大三角翼因?yàn)榧訌?qiáng)了結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)穩(wěn)定性，還可以提高飛機(jī)的安全性能，這對(duì)民航客機(jī)來(lái)說(shuō)尤為重要。不過(guò)，歐洲人給ZEHST提出的速度目標(biāo)是超過(guò)“協(xié)和”式客機(jī)的2倍，即最大可以達(dá)到4倍聲速。

為了達(dá)到4倍聲速的設(shè)計(jì)目標(biāo)，ZEHST將內(nèi)部結(jié)構(gòu)上分為三大部分，從機(jī)頭向后依次是機(jī)頭和駕駛艙段、增壓客艙段以及動(dòng)力段，而動(dòng)力段則集成了其高速飛行所依賴(lài)的全套動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括3種類(lèi)型的7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，2臺(tái)傳統(tǒng)的航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要是在飛機(jī)起飛和降落時(shí)候使用，這樣就可以保證飛機(jī)能夠在正常的機(jī)場(chǎng)跑道上起降；飛機(jī)起飛升空后，機(jī)身后部的3臺(tái)低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)點(diǎn)火工作，推動(dòng)飛機(jī)加速并爬升，最終使飛機(jī)加速到4倍聲速，飛行高度達(dá)到32千米；飛機(jī)達(dá)到既定的速度和高度之后，機(jī)翼下的2臺(tái)大推力沖壓火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，使飛機(jī)保持上述飛行高度和速度繼續(xù)前行，并到達(dá)目的地，然后使用2臺(tái)傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)著陸。據(jù)EADS提供的資料顯示，ZEHST以倫敦為出發(fā)地，到達(dá)土耳其需要30分鐘，抵達(dá)美國(guó)西海岸城市需要1小時(shí)，到達(dá)日本東京需要2小時(shí)，到澳大利亞悉尼也只需要3.5小時(shí)。

為了降低污染，ZEHST客機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃料主要有兩種，一種是用藻類(lèi)制造的生物燃料，這是一種低碳燃料，排放物非常少，這種燃料主要用于2臺(tái)傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)；另一種是液氫液氧，主要用于5臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，排放物為水蒸氣，沒(méi)有污染。而為了解決超聲速飛行時(shí)產(chǎn)生的音爆，ZEHST選擇了飛得更高，其在起飛之后很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了32千米高度，即使在城市上空飛行，人們?cè)诘孛嫔弦埠茈y聽(tīng)到它的聲音，噪聲污染幾乎為零。不過(guò)，由于方案更為激進(jìn)，各方面的技術(shù)指標(biāo)更高，所以歐洲人認(rèn)為ZEHST在2050年前后能投入使用就已經(jīng)不錯(cuò)了。